직렬 통로

직렬 통로는 반복적으로 박테리아나 바이러스가 자라는 과정이다. 예를 들어, 바이러스는 한 환경에서 자라날 수 있고, 그 다음 그 바이러스 집단의 일부가 제거되어 새로운 환경에 투입될 수 있다. 이 과정은 원하는 만큼 많은 단계를 반복한 후, 종종 원래의 바이러스와 비교하여 최종 제품을 연구한다.

이러한 종류의 촉진 전염은 종종 실험실에서 행해지는 경우가 많은데, 그 이유는 실험 과정에서 통과되고 있는 바이러스나 박테리아가 어떻게 진화하는지 관찰하는 것이 과학적으로 흥미가 있기 때문이다. 특히, 연속적인 통로는 바이러스나 다른 병원체의 독성을 바꾸려는 연구에서 상당히 유용할 수 있다. 이에 따른 한 가지 결과는 과학자들이 직렬 통로를 적용하여 바이러스성은 낮지만 원래 변종과 비교할 수 있는 면역유전성을 가진 병원체의 변종을 만들 수 있기 때문에 연속 통로는 백신을 만드는 데 유용할 수 있다는 것이다.^[1] 이것은 또한 페렛의 A/H5N1 구절로 증명된 바와 같이 낮은 생력 외에 더 투과 가능한 균주를 만들 수 있다.^[2]

메커니즘

직렬 통로는 체외 또는 체외에서 수행될 수 있다. 체외법에서는 바이러스나 균종이 분리되어 일정한 시간 동안 자랄 수 있게 된다. 그 시간 동안 샘플이 성장한 후에는 그 일부가 새로운 환경으로 옮겨져 같은 기간 동안 성장할 수 있게 된다.^[3][4] 이 과정은 원하는 만큼 반복될 것이다.

또는 동물이 병원체에 감염된 경우 생체내 실험을 수행할 수 있으며, 이 병원체는 호스트로부터 샘플이 제거되어 다른 호스트로 전달되기 전에 호스트에서 시간이 자라도록 허용했다. 이 과정은 특정 수의 호스트에 대해 반복된다. 개별 실험이 이 수를 결정한다.

직렬 통로가 체외나 체외에서 수행되면 바이러스나 박테리아가 반복적으로 돌연변이를 일으켜 진화할 수 있다. 발생하는 돌연변이를 확인하고 연구하면 연구 중인 바이러스나 박테리아에 대한 정보가 드러나는 경우가 많다. 따라서, 연속적인 통로가 수행된 후에는 발생한 모든 돌연변이와 그 집합적 효과를 주목하면서, 결과적인 바이러스나 박테리아 샘플을 원본과 비교하는 것이 가치 있을 수 있다. 다양한 유의미한 결과가 발생할 수 있다. 바이러스의 맹독성은 바뀔 수도 있고,^[5] 바이러스가 보통 발견되는 것과는 다른 호스트 환경에 적응하도록 진화할 수도 있다.^[5] 예를 들어, 바이러스는 일반적으로 10개 정도의 통로 내에서 새로운 호스트에 적응할 수 있다.^[5]

연속적인 통로는 바이러스의 숙주로의 신속한 진화를 가능하게 하기 때문에 항생제 내성의 진화를 연구하는데 사용될 수 있다. 특히 어떤 돌연변이가 항생제 내성의 개발을 이끌 수 있는지를 결정하기 위해서 말이다.^[6]

역사

연재통행의 기술은 1800년대부터 있어왔다. 특히 루이 파스퇴르가 1800년대 후반 광견병 백신을 이용한 연구는 이 방법을 예시하고 있다.^[7]

파스퇴르는 일생 동안 여러 개의 백신을 만들었다. 광견병 이전 그의 연구는 병원균의 감쇠와 관련되었지만, 연속적인 통로를 통한 것은 아니었다. 특히 파스퇴르는 콜레라와 함께 연구해 장기간 세균을 배양하면 효과적인 백신을 만들 수 있다는 사실을 밝혀냈다.^[7][8] 파스퇴르는 산소에 특별한 무언가가 있다고 생각했고 이것이 그가 박테리아를 덜 독성이 있는 버전으로 감쇠시킬 수 있었던 이유였다. 파스퇴르는 비록 성공은 덜 했지만 탄저균 백신을 만들기 위해 이 방법을 적용하려고 노력했다.^[7]

다음으로 파스퇴르는 광견병 백신을 만들기 위해 이 방법을 적용하기를 원했다. 그러나 광견병은 바이러스 때문에 생긴 것이지 콜레라나 탄저균 같은 박테리아 병원체가 아니었고, 그 때문에 광견병은 콜레라나 탄저균처럼 배양될 수 없었다.^[8] 체외 바이러스의 직렬 통과 방법은 존 엔더스, 토마스 허클 웰러, 프레드릭 로빈스가 이것을 위한 기술을 개발했던 1940년대에 이르러서야 개발되었다. 이 세 명의 과학자들은 이후 주요 진보로 노벨상을 받았다.^[9]

이 문제를 해결하기 위해 파스퇴르는 광견병 바이러스와 생체내 작업을 했다.^[7][8] 특히 감염된 개에게서 뇌조직을 채취해 다른 개에게 이식해 이 과정을 여러 차례 반복해 개에게 연속적으로 전달하기도 했다.^[7] 이러한 시도는 바이러스의 독성을 증가시켰다.^[7] 그리고는 원숭이에게 개조직을 넣어 감염시킨 다음 원숭이에게 연속적인 통로를 행할 수 있다는 것을 깨달았다.^[7] 이 과정을 마치고 개를 그 결과로 생긴 바이러스에 감염시킨 후, 파스퇴르는 그 바이러스가 덜 치명적이라는 것을 깨달았다.^[7] 대부분 파스퇴르는 토끼의 광견병 바이러스와 함께 일했다.^[8] 결국, 광견병 백신을 만들기 위해 파스퇴르는 조직을 건조시키는 간단한 방법을 사용했다. 그의 노트에 기술된 바와 같이:

공기가 건조한 상태로 유지되는 일련의 플라스크에서, 광견병으로 죽은 토끼로부터 채취한 신선한 토끼 척추 조직 두께를 매일 정지시킨다. 또한 매일 1mL의 살균된 수조원의 개의 피부 아래에서 접종하는데, 그 안에서 건조된 척추 조각들 중 한 조각이 작업할 때부터 가장 먼 곳에서 시작하여 그것이 전혀 치명적이지 않다는 것을 확실히 하기 위해, 이 조각들 중 한 조각이 흩어졌다.^[7]

파스퇴르는 백신을 만들기 위해 대부분 시리얼 통로 외에 다른 기술을 사용했다. 그러나 연속적인 통로를 통해 바이러스를 감쇠시킨다는 생각은 여전히 유효하다.

백신에 사용

숙주에게 바이러스를 감쇠시키는 한 가지 방법은 다른 종에 바이러스를 전달하는 것이다.^[5] 바이러스의 변종이 다른 종에 더 적응하게 되면, 그 변종은 원래 숙주에 덜 적응하게 되고, 따라서 원래 숙주에 대한 독성이 감소하게 된다는 생각이다.^[5] 이것은 예를 들어 루이 파스퇴르가 원숭이에게 광견병 바이러스를 패스하고 개에게 덜 위험한 바이러스로 끝날 때 자신도 모르게 이용하고 있었던 암묵적 원칙이다.^[7]

연속적인 통과 과정은 살아있는 백신을 생산한다. 이것에는 장단점이 모두 있다. 가장 주목할 만한 것은 살아있는 백신은 비활성화된 백신이나 다른 종류의 백신보다 더 효과적이고 더 오래 지속된다는 것이다.^[10][11] 그러나 바이러스가 감쇠하도록 진화했듯이 숙주에서도 역진하여 감염으로 이어질 수 있다.^[11]

실험

연구자들은 직렬 통로를 이용한 많은 실험을 해 왔다. 직렬 통로를 위한 실험 용도로는 바이러스의 독성을 변화시키는 것, 새로운 숙주로의 적응적 진화 또는 잠재적인 진화를 연구하는 것, 항생제 내성을 연구하는 것 등이 있다.

동물 모델링에 사용할 수 있는 독성 증가

바이러스를 위한 백신을 개발할 때, 바이러스를 감소시키거나 바이러스의 바이러스를 특정 숙주에서 감소시키는 것을 강조한다. 때때로 바이러스의 독성을 증가시키기 위해 연속적인 통로를 이용하는 것이 유용하다. 보통 종에서 직렬 통로가 수행되면 그 종에 더 치명적인 바이러스가 발생한다.^[5]

예를 들어, 한 연구는^[12] 개코원숭이들에게 특히 치명적인 HIV-2의 변종을 만들기 위해 개코원숭이의 연속적인 통로를 이용했다. 전형적인 HIV-2 변종은 개코원숭이를 천천히 감염시킬 뿐이다.^[12] 이러한 특수성은 과학자들이 HIV-1의 동물 모델에서 HIV-2를 사용하는 것을 어렵게 만든다. 왜냐하면 그 모델 안에 있는 동물들은 단지 천천히 증상을 보일 것이기 때문이다. 그러나 HIV-2의 더 치명적인 변종은 동물 모델에서 사용하기에 실용적일 수 있다.^[12]

Kanta Subbaro에 의한 또 다른 연구는 쥐가 사스에 감염되는 연속 통로 실험을 포함했다.^[13] 그러나 사스는 보통 쥐를 특별히 아프게 하지 않는다. 그러나 바이러스가 쥐에게 연속적인 통로를 겪은 후, 그것은 치명적이 되었다.^[13]

사스의 맹독성을 이런 식으로 바꾸는 것은 중요한데, 왜냐하면 실험용 동물을 감염시키는 치명적인 형태의 사스가 없었다면 과학자들은 동물 모델에서 사스의 효과를 시험할 수 없었을 것이기 때문이다.^[13]

보다 일반적으로, 이 실험은 또한 다음과 같은 일반적인 의료 원칙을 반영한다. 바이러스의 맹독성은 전염의 어려움에 의해 매개된다.

일반적으로 바이러스가 숙주를 너무 빨리 죽이면 숙주는 다른 호스트와 접촉하여 죽기 전에 바이러스를 전송할 기회가 없게 된다. 시리얼 통로에서는, 서브바로의 실험과 같이 바이러스의 독성과 상관없이 호스트에서 호스트로 바이러스가 전송되고 있을 때, 가장 빨리 성장하는 (따라서 가장 독성이 강한) 바이러스를 대상으로 선택한다.^[13]

이 원칙은 공중 보건에 영향을 미치는데, 이는 빈민가나 집단 검역 시설과 같이 매우 인구 밀도가 높거나 인구 밀도가 높은 지역에서 자연 선택은 더 치명적인 바이러스를 선호할 수 있다는 것을 암시하기 때문이다.

이것은 또한 왜 좋은 위생상태가 그렇게 중요한지 설명하는데 도움이 된다. 좋은 위생은 전염되는 병원균의 능력을 낮추어 고병원성 바이러스에 대항하여 선택한다.^[13]

쥐에 적응한 사스-CoV-2를 생산하기 위해 직렬 패싱이 사용되어 왔다.^[14]

독감

H5N1 바이러스는 특히 치명적인 인플루엔자 변종이다. 현재는 인간을 감염시킬 수 있지만 사람 간에는 전염되지 않는다. 하지만 전세계적으로 600명 이상의 사람들이 동물로 옮겨진 H5N1 바이러스로 사망한 것으로 알려져 있어,^[13] 이 바이러스의 전염성은 과학자들에게 중요한 관심사다.

바이러스가 인간에게 전염될 가능성을 판단하기 위해 여러 차례 연쇄 통과 실험이 실시되었다. 특히 론 푸시에와 그의 동료들은 페렛에서 10단계의 시리얼 패스 실험을 했다.^[13] 그렇게 함으로써 그들은 페렛을 감염시킬 뿐만 아니라 페렛 사이에 전염될 수 있는 독감의 변종을 만들어냈다.^[13] 특히, 이 변종은 그들이 첫 번째 페렛을 감염시켰던 원래 변종과 매우 유사했다. 즉, 페렛 사이에 바이러스가 전염되기 위해서는 단지 몇 개의 변종만이 필요했다.^[13][15] 이와 유사하게, 연구원인 가와오카 요시히로는 페레트로 바이러스를 전염시키기 위해서는 단일 돌연변이가 필요하다는 것을 발견했다.^[15]

푸시에의 연구와 카와오카의 연구 모두 처음에는 검열을 받았으며, 이는 생물학적 오류에 대한 함축에 따른 것이다.^[15] 이 연구는 나중에 발표되었지만 여전히 논쟁의 여지가 있다.^[15]

직렬 통로는 자연적인 과정이 아닌 실험실 환경에서 사용되는 인공적인 기술이다. 따라서, H5N1 바이러스가 실제로 인간에게 전염될 수 있도록 변이될 가능성은 알려지지 않았지만, 연구자 데릭 스미스는 이것이 가능하다는 것을 보여주기 위해 진화 모델을 만들었다.^[13]

바이러스가 종 사이에서 어떻게 뛰어오르는지 이해

병원균이 새로운 종에 어떻게 적응하는지를 이해하는 데도 연쇄 통로의 또 다른 용도가 있다. 과학자들은 병원체를 새로운 숙주 종에 도입하고 연속적인 통로를 수행함으로써, 병원체가 새로운 숙주에 적응하는 것을 관찰할 수 있고, 이러한 적응을 허용하는 돌연변이를 정확히 찾아낼 수 있다.^[5]

참고 항목

• 대장균 장기 진화 실험
• 실험진화

참조